砧木基因型塑造田间葡萄植株三维结构与生物量分配格局

为解决葡萄嫁接苗资源获取效率与气候适应性难题，研究人员通过高分辨率3D数字化技术系统分析3种砧木基因型（101-14、SO4、R110）对葡萄全株架构的影响，发现110R砧木形成深层垂直根系并提高根冠比，为抗旱砧木选育和精准栽培提供理论依据。

　　

在气候变化加剧的背景下，葡萄栽培面临水资源短缺与极端天气的双重挑战。作为多年生嫁接作物，葡萄砧木通过调控根系构型（Root System Architecture, RSA）和地上部生长的协同关系，深刻影响植株的资源获取效率与环境适应性。然而，现有研究多聚焦于接穗冠层结构，对田间条件下砧木驱动的全株三维架构动态知之甚少。这一认知缺口限制了抗旱砧木的精准选育和 vineyard management 策略的优化。为此，Lukas Fichtl团队在《Annals of Botany》发表研究，首次通过全株 excavation 与高分辨率3D数字化技术，揭示了砧木基因型如何塑造葡萄植株从建立期开始的整体空间拓展策略。

研究团队选取具有典型抗旱性差异的三种砧木：浅根型 drought-sensitive 的101-14（Vitis riparia × V. rupestris）、中度抗旱的SO4（V. berlandieri × V. riparia）以及深根型 drought-tolerant 的110R（V. berlandieri × V. rupestris），将雷司令（Riesling）接穗嫁接后建立田间试验。采用随机区组设计，在种植后3、6、15和18个月四个时间点，对96株葡萄进行全株 excavation 和电磁式3D数字化（Polhemus Fastrak系统），量化根系与冠层的空间参数，并结合 biomass partitioning 分析。关键技术包括：（1）基于电磁定位的枝系与根系拓扑结构重建；（2）RSML格式的根系参数提取（如最大深度、水平扩展、3D凸包体积）；（3）标准化主轴回归（SMA）分析根-冠异速生长关系；（4）偏最小二乘判别分析（PLS-DA）解析基因型特异性表型特征。

Root system architecture

110R表现出显著的垂直生长优势，18个月时根系最大深度达181.6 cm，显著超过101-14（146.9 cm）和SO4（163.2 cm）。相反，101-14和SO4的水平扩展更突出（T4时分别达140 cm和158 cm）。空间分布热图显示所有基因型的根系沿种植行方向存在显著偏向性（Directional Bias Index <0），可能与机械种植导致的土壤压实有关。深层土壤（91-210 cm）中110R的根长占比高达34%，而101-14和SO4分别仅为21%和25%。

Biomass allocation

110R表现出强烈的 below-ground 投资策略，根冠干重比在T4时达1.5，显著高于其他基因型（101-14:0.9; SO4:1.0）。SMA回归显示110R的根系长度与地上部生长呈更高斜率关系（0.92 vs. 101-14的0.76），表明其 root elongation 对 shoot extension 的响应更保守。

Canopy development

101-14产生最大叶面积（T3时5354 cm²），而110R的 specific leaf area（SLA）最高，反映其 thinner leaves 的节水策略。SO4的 total shoot length 在T4时达1020 cm，显著长于110R（792 cm），但后者通过减少次级枝数量降低 transpiratory demand。

PLS-DA分析

最大 rooting depth 和深层根长（121-210 cm）是区分基因型的关键变量（VIP>1），验证了 deep rooting 作为砧木 drought adaptation 的核心表型标记。

该研究首次在田间尺度上证实砧木基因型对葡萄全株三维架构的 constitutive control，突破了传统盆栽实验的空间局限性。110R的深层垂直根系与高根冠比特性，为干旱区 vineyard 的砧木选择提供了明确标准：在深厚土壤中，此类 genotype 可通过深层 water mining 维持水分稳态，而浅根型砧木更适合高肥力或湿润地区。研究建立的3D数字化 pipeline 和参数集（如 convex hull volume、directional bias index）为功能-结构植物模型（FSPM）提供了关键输入，助力预测不同 climate scenarios 下的资源获取效率。未来需进一步探究这些 architectural traits 与 hydraulic conductivity、hormonal signaling 的互作机制，以及其在成熟 vineyard 产量品质形成中的长期效应。